地铁暗挖区间重叠交叉隧道施工与监测

专业知识分享版 ［摘 要］以深圳地铁太安站—怡景站区间重叠交叉双层隧道为研究对象，对复杂环境下的关键施工技术进行阐述与分析，利用 ABAQUS 建立有限元计算模型，对施工过程进行数值模拟计算，并与现场的实际监测进行对比分析，最终证明在城市地质条件较差的情况下，群洞重叠隧道借助超前小导管注浆加固的辅助施工方法，可实现上下重叠隧道错开一定开挖步距后同步进行开挖。 ［关键词］隧道工程; 浅埋暗挖; 重叠交叉隧道; 超前注浆; 数值模拟; 监测; 施工技术 在重叠隧道的施工过程中，传统的施工顺序倾向于下层隧道开挖结束并施作二衬后，再进行上层隧道的施工，这样安全性比较高，但工期较长，对加快地铁建设与运营不利，深圳地铁太安站—怡景站区间隧道重叠段采取下层隧道开挖 25m 后即进行上层隧道施工。如何处理好施工影响范围内的土体稳定、地表沉降、建筑物沉降和地下管线等的相关问成为该施工顺利进行的关键。 1 工程概况 深圳地铁太安站—怡景站区间隧道包含地铁 5号线和 7 号线接入段，均为矿山法施工的暗挖区间隧道。在重叠隧道段，5 号线部分首先为 90m 的双连拱隧道，之后过渡为两条单洞小净距隧道; 7 号线部分为两条单洞隧道; 结尾段 5，7 号线均为 1 条紧临地铁车站的单洞隧道。重叠隧道所处地理位置如图 1 所示。 重叠隧道竖直净距为 0. 9 ～ 1. 4m，考虑初支净空外放后的最小间距仅为 0. 6m。5，7 号线位置关系如图 2 所示。 太安站—怡景站区间隧道穿越地质结构自上而下大致分为杂填土、粉质黏土、全风化混合岩和强风化混合岩 4 层，如图 3 所示。由图 3 可以看出隧道重叠段 7 号线主要穿越全风化段，5 号线主要穿越强风化段。根据地质详勘资料可知，全风化混合岩层含水量丰富，自稳性差，部分地段存在较大面积的砂层; 强风化混合岩层自稳性较好，含水量一般，但局部地段含有砂层。 2 群洞隧道施工组织与施工工艺 2. 1 群洞段隧道总体施工组织 根据全线总体工期的要求，以及区间结构、周边环境的特点，重叠段隧道施工均由太怡区间 2，3号竖井进行施工组织，如图 4 所示。隧道开挖前，首先对重叠隧道间土体进行深孔注浆预加固，然后展开下层 7 号线隧道开挖，错开 25m 后随即展开 5 号线隧道开挖。 5，7 号线衬砌根据各自的施工进度及状态分别展开进行，由于 5 号线部分为制约全线工期的关键部位，结合现场衬砌资源的调配，工程中率先展开 5号线部分的衬砌。 在重叠隧道位置打设一处连通 5，7 号线的卸渣通道，将 5 号线隧道开挖及清底土方通过卸渣通道卸至 7 号线，再通过 7 号线运输至 3 号竖井吊出，缓解 5 号线 2 号竖井提升压力。 2. 2 注浆小导管超前支护技术 为保证上下重叠隧道同步开挖的安全性，在工作区域采用注浆小导管超前支护技术进行加固止水，减小围岩的扰动。 隧道开挖前，对 5，7 号线重叠部分进行超前深孔预注浆加固，如图 5 和表 1 所示。在 7 号线初衬前对其进行全断面注浆，抑制围岩松动区的发展，补充替代初衬的支护和止水作用，如图 6 所示。 为满足施工对工作环境的要求，采用水泥-水玻璃双液浆进行注浆，V水泥浆∶ V水玻璃= 1 ∶ 1 ～ 1 ∶ 0. 3 ( 水泥浆 W∶ C = 0. 5∶ 1 ～ 1∶ 1，水玻璃 25 ～ 40°Bé) 。注浆时应根据浆液的扩散程度、注浆量、注浆压力等因素在允许范围内调整注浆材料的配合比，注浆工艺如图 7 所示。 隧道初期支护完成后随即进行回填注浆，填充初期支护与围岩的间隙，减少围岩松动圈对支护的影响。二次支护完成后，对支护结构内存在的孔隙和微小孔洞进行二次注浆止水，保证支护结构长期的稳定和地铁的正常运营。 3 数值计算与监控量测 利用 ABAQUS 有限元软件建立坐标 YSSK0 +687. 165 剖面的二维有限元模型，对群洞隧道施工引起的围岩及地表变形进行模拟研究，并与实测数据进行对比分析。 3. 1 计算模型的确立 为简化计算，将地质模型简化为 4 层平行地层，根据施工影响范围，建立计算模型的尺寸为 x( 90m) ，y( 80m) ，如图 8 所示。模型边界条件为: 侧边限制水平位移，底边限制垂直位移，上边界为自由边。超前预注浆和全断面注浆通过定义不同场变量，在相应分析步中激活以提高围岩来实现该施工工序的模拟。 3. 2 计算参数的选取 为尽可能实现仿真模拟，各层围岩的物理力学参数取现场试验数据( 见表 2) 。 支护材料计算参数通过试验和工程进行确定: 初期支护为 300mm 厚 C25 钢筋混凝土，弹性模量 30GPa，泊松比 0. 18; 二次支护为 450mm 厚钢筋混凝土，弹性模量 35GPa，泊松比 0. 18。 3. 3 施工过程模拟 根据平面弹塑性理论，按工程方案将施工工序简化 ( 见表3) ，进行模拟计算，网格划分如图9所示。 3. 4 计算分析 经分析计算，关键分析步中的地表沉降变形如图 10 所示。 进行超前注浆和 7 号线左线全断面注浆时，地表均呈现上拱状态，表明注浆效果明显; 在进行 7 号线施工模拟时，地表沉降控制在 8mm 以内，对 7 号线的全断面注浆有效替代了初衬的支护止水作用;对 5 号线施工状态的模拟显示地表沉降幅度增大，5号线左线开挖地表最大沉降值为 13. 85mm，5 号线右线开挖地表最大沉降值为 22. 36mm，并向 x 正方向偏移，但沉降在安全值以内。 YSSK0 + 687. 165 断面地表沉降计算值与监测值的对比曲线如图 11 所示，从图中可以看出监测曲线与计算曲线变化趋势大体一致，数值计算对工程有一定的参考价值。但是实际监测值比计算值偏大，甚至 5 号线右线正上方的地表沉降超过了30mm 的监控预警值。 造成监测值与计算值偏差的原因是模型参数不可能反映工程地质的每一点状况，并且计算对地下水的考虑不周全; 实际工程施工存在扰动和可变荷载的影响，计算只分析了静力状态下的变形。 计算模型关键分析步隧道围岩 U2 方向位移云图如图 12 所示，它反映了不同施工工序下的隧道围岩在竖直方向上的位移变化情况。分析步 1 超前注浆后，注浆加固区上部围岩明显上拱，下部影响范围内的土体在注浆压力作用下呈现微小沉降，说明对软弱土层的注浆加固效果显著; 分析步 2 受到超前注浆加固的影响，进行 7 号线左线开挖时隧道拱顶沉降较小; 分析步 3 对 7 号线左线进行全断面注浆后，对土体起到顶升作用，隧道拱顶沉降和底部上拱量均不明显，全断面注浆对初衬的补充替代效果明显; 分析步 4 和 5 对 7 号线右线的开挖和全断面注浆也达到预期效果; 5 号线采用中导洞和侧洞先后开挖的施工顺序，减缓了围岩的应力释放，有效控制了围岩变形; 7 号线左、右洞室中间的土体为薄弱地带，承载力较注浆加固区弱，而 5 号线优先支护，加重了 7 号线及中间土体的承载力负担，故 5 号线右洞拱顶沉降值最大，超过 30mm，需在工程实际中加强临时支护并加密监测，以保证施工安全。 3. 5 监测分析 实际工程监测中，受群洞施工相互作用效应影响，5 号线拱顶多处监测点的沉降超过安全警戒值。选取 5 号线左线和右线各 5 个拱顶监测点绘制 5 号线主拱顶沉降历时曲线，如图 13 所示。 5 号线在 ZGD15 和 YGD10，YGD15 处受砂层地质条件影响，沉降值急剧增加，远远超过监控预警值，但随即注浆加固和增设临时钢拱架支撑使沉降最终趋于稳定，未对隧道结构产生破坏; 其他监测点也有沉降超过 30mm 的情况，但沉降速率较小，收敛平稳; ZGD30 和 YGD30 处均有两监测点处最终拱顶累计沉降值 ＜ 30mm，表明该段土体自稳性较好，施工扰动和可变荷载较小，并且借鉴前期施工经验，对不良地质提前预防。 4 结语 深圳太安站—怡景站区间隧道为 5，7 号线双层双洞重叠交叉隧道，迫于工期压力，在施工工序上探索性地采取 7 号线施工 25m 后即展开 5，7 号线的同步施工，施工前辅以小导管超前注浆加固。根据总体施工组织规划，5 号线支护先于 7 号线进行，对 7 号线采取全断面注浆保证了围岩松动区的稳定，对初衬的补充替代作用显著。 注浆材料、配合比浆压力等应根据工程资料和设计参数严格控制，防止因注浆量或注浆压力不足影响加固效果; 也防止过大造成对既有结构的破坏。 水泥-水玻璃双液注浆凝结时间可控、结石体强度高、加固止水效果显著，在深圳太安站—怡景站区间含水丰富、自稳性差的岩层中发挥重要作用，充分改善了施工工作面，很好地控制了地表沉降和支护结构变形。 群洞隧道施工对地层扰动较大，后行隧道处于先行隧道的扰动区内，并且对现行隧道是卸载作用，将对围岩变形产生更大的影响，引发更大的地表沉降。太安站—怡景站区间重叠隧道净距较小，多孔施工引发的群洞效应使得围岩变形叠加显著。 城市地下管线密布，地质条件复杂，使得地质勘探的精度下降，极易遇到软弱含水砂土层等不良地质条件影响施工，在实际工程中应注重对地质的超前预报和加强监控量测，以便及时拟定解决方案。 计算值与监测值的对比分析表明，地层变形规律的计算值与实测值比较吻合，计算结果能反映隧道开挖引起的地层变形特征。对于含水砂层要考虑地层的失水固结，砂、土颗粒流失及隧道结构整体下沉的影响。从实测数据可知，在深圳一般地质条件下围岩沉降值可控制在 60mm 以内，富水含砂地段可控制在 120mm 以内。 使命：加速中国职业化进程 联系电话：0755-86153458